(57)【要約】【課題】水素含有燃料を水素イオンと電子に容易に変換することができる準改質化(quasi-reforming)状態に転換するように改質触媒層が被覆されている燃料収容室を持つ噴射ノズル組立体及びこれを具備した燃料電池システムを提供する。【解決手段】水素含有燃料が収容される燃料収容室を画定するハウジングと、水素含有燃料が前記燃料収容室に流入されるように前記ハウジングの一端に備えられる流入口と、前記燃料収容室に貯蔵された水素含有燃料が流出されるように前記ハウジングの他端に備えられる流出部と、前記燃料収容室に設けられた噴射手段と、を具備する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素含有燃料が収容される燃料収容室を画定するハウジングと;
水素含有燃料が前記燃料収容室に流入されるように前記ハウジングの一端に備えられる流入口と;
前記燃料収容室に貯蔵された水素含有燃料が流出されるように前記ハウジングの他端に備えられる流出部と;
前記燃料収容室に設けられた噴射手段からなることを特徴とする噴射ノズル組立体。
【請求項２】
前記ハウジングの内表面に被覆されている改質触媒層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の噴射ノズル組立体。  
【請求項３】
前記流出部の内表面に被覆されている改質触媒層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の噴射ノズル組立体。  
【請求項４】
前記噴射手段は、
外部電源から印加される電圧によって震動する震動板であることを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれか１項に記載の噴射ノズル組立体。
【請求項５】
前記噴射手段は、
外部電源から印加される電圧によって変形される圧電素子であることを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれか１項に記載の噴射ノズル組立体。    
【請求項６】
前記噴射手段は、
前記水素含有燃料に気泡を発生させるヒータであることを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれか１項に記載の噴射ノズル組立体。  
【請求項７】
前記ハウジングは連結管で構成され、前記噴射手段は前記連結管内部の水素含有燃料に空気滴を生成させる加熱板であることを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれか１項に記載の噴射ノズル組立体。  
【請求項８】
前記ハウジングに備えられた加熱手段をさらに含むことを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれか１項に記載の噴射ノズル組立体。  
【請求項９】
電気を生成させる一つ以上の単位電池が備えられているスタックと;
前記スタックに供給しようとする水素含有燃料が貯蔵されている燃料貯蔵部と;
前記スタックに空気を供給するための空気供給部と;
前記燃料貯蔵部とスタックの間で流体流通が可能に備えられた噴射ノズル組立体を含んでなり、  
前記噴射ノズル組立体は、前記燃料貯蔵部から供給される水素含有燃料が収容される燃料収容室を画定し、前記燃料収容室に収容された水素含有燃料が流出される流出部を一端に具備しているハウジングと；
前記燃料収容室に内蔵する噴射手段を含んでなることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
前記ハウジングの内表面に被覆されている改質触媒層をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。  
【請求項１１】
前記流出部の内表面に被覆されている改質触媒層をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。  
【請求項１２】
前記噴射手段は、
外部電源から印加される電圧によって震動する震動板であることを特徴とする請求項９ないし１１のうちいずれか１項に記載の燃料電池システム。  
【請求項１３】
前記噴射手段は、
外部電源から印加される電圧によって変形される圧電素子であることを特徴とする請求項９ないし１１のうちいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記ハウジングに備えられた加熱手段をさらに含むことを特徴とする請求項９ないし１１のうちいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記噴射手段は、
前記水素含有燃料に気泡を発生させるヒータであることを特徴とする請求項９ないし１１のうちいずれか１項に記載の燃料電池システム。  
【請求項１６】
前記ハウジングは連結管で構成され、前記噴射手段は前記連結管内部の水素含有燃料に空気滴を生成させる加熱板であることを特徴とする請求項９ないし１１のうちいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
水素含有燃料が貯蔵されている燃料貯蔵部と;
両面に触媒層が備えられている高分子膜を持つ電極膜組立体と;
前記燃料貯蔵部と前記高分子膜の一面に備えられた触媒層の間で流体流通が可能に介在されている燃料供給部からなり、  
前記燃料供給部には、前記燃料貯蔵部から供給される水素含有燃料が収容される燃料収容室を画定し、前記燃料収容室に収容された水素含有燃料が流出される流出部を一端に具備しているハウジングと；
前記燃料収容室に内蔵する噴射手段を含む噴射ノズル組立体が備えられていることを特徴とする燃料電池システム。  
【請求項１８】
前記ハウジングの内表面に被覆されている改質触媒層をさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の燃料電池システム。  
【請求項１９】
前記流出部の内表面に被覆されている改質触媒層をさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の燃料電池システム。  
【請求項２０】
前記噴射手段は、
外部電源から印加される電圧によって震動する震動板であることを特徴とする請求項１７ないし１９のうちいずれか１項に記載の燃料電池システム。  
【請求項２１】
前記噴射手段は、
外部電源から印加される電圧によって変形変形される圧電素子であることを特徴とする請求項１７ないし１９のうちいずれか１項に記載の燃料電池システム。  
【請求項２２】
前記ハウジングに備えられた加熱手段をさらに含むことを特徴とする請求項１７ないし１９のうちいずれか１項に記載の燃料電池システム。  
【請求項２３】
前記噴射手段は、
前記水素含有燃料に気泡を発生させるヒータであることを特徴とする請求項１７ないし１９のうちいずれか１項に記載の燃料電池システム。  
【請求項２４】
前記ハウジングは連結管で構成され、前記噴射手段は前記連結管内部の水素含有燃料に空気滴を生成させる加熱板であることを特徴とする請求項１７ないし１９のうちいずれか１項に記載の燃料電池システム。  
【請求項２５】
前記高分子膜の他面に備えられた触媒層に酸素を供給するために備えられた酸素供給部をさらに含むことを特徴とする請求項１７ないし１９のうちいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項２６】
前記高分子膜の他面に備えられた触媒層は、大気中に晒されることを特徴とする請求項１７ないし１９のうちいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項２７】
前記改質触媒層は、Pt、Pd、Ru、Rh、Ir、Cu、Cr、Mo、WおよびCoからなる触媒物質の中から選ばれる少なくとも一つの触媒物質を含むことを特徴とする請求項１８または１９に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素ガスと空気の電気化学反応によって電気を生成する燃料電池システムに関し、より詳細には、水素含有燃料を水素イオンと電子に容易に変換することができる準改質化(quasi-reforming)状態に転換するように改質触媒層が被覆されている燃料収容室を持つ噴射ノズル組立体及びこれを具備した燃料電池システムに関する。  
【背景技術】
【０００２】
環境問題や資源問題を解決するための方案として天然ガスなどの炭化水素燃料、メタノールなどのような水素含有燃料から得られる水素と空気中の酸素を電気化学的に反応させて電気を生成する燃料電池に対する関心が集中されて来た。  
【０００３】
このような燃料電池は使われる電解質の種類によって燐酸型燃料電池PAFC; phosphoric acid fuel cell、溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC; molten carbonate fuel cell)、固体酸化物型燃料電池(SOFC; solid oxide fuel cell)、高分子電解質型燃料電池(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell)、アルカリ型燃料電池(AFC; alkaline fuel cell)などに分類される。  
【０００４】
燃料電池は、その種類によって使われる燃料の原料に加えて作動温度や出力範囲などにしたがって、移動電源用、輸送用、分散発電用などの多様な応用分野に適用することができる。  
【０００５】
上述した燃料電池の中で高分子電解質型燃料電池は、出力特性が卓越して作動温度が低いだけではなく、速い始動及び応答特性を持っており、基本的に水素と酸素の化学的反応によって電気を生成する単位電池が積層されているスタック(stack)と、メタノール、エチルアルコールまたは天然ガスといった炭化水素系列の水素含有燃料を改質して生成される水素ガスを前記スタックに供給する改質器(reformer)と、ポンプの作動によって水素含有燃料を前記改質器に供給する燃料供給部と、空気を前記スタックに供給するための空気供給部とを持つ。  
【０００６】
一方、水素ガスを得るための改質器の使用なしに水素含有燃料を直接発電に利用する直接メタノール型燃料電池(DMFC: direct methanol fuel cell)は、低い作動温度及び速い応答特性などの長所だけではなく小型化の長所を有しているため、研究開発されている。
【０００７】
このような直接メタノール型燃料電池は、水素と酸素の電気化学反応によって電気を生成する単位電池が内蔵しているスタックと、ポンプ作動によって水素含有燃料を前記スタックに供給する燃料供給部と、前記スタックに空気を供給する空気供給部を含んでいる。
【０００８】
従来の高分子電解質型燃料電池または直接メタノール型燃料電池において、水素含有燃料を改質器またはスタックに円滑に供給するためには、ポンプが作動しなければならず、その結果、ポンプ作動によるノイズ及び震動発生、そして所要電力が大きいという問題点があった。特に、直接メタノール型燃料電池において供給される水素含有燃料から水素を得るための変換效率が低いという問題点があった。  
【０００９】
一方、従来の噴射ノズル組立体及びこれを具備した燃料電池システムに関する技術を記載した文献としては、下記特許文献１、２および３がある。
【特許文献１】特開２００４−２８６２８１号公報
【特許文献２】特開２００４−１９３０１３号公報
【特許文献３】特開２０００−０６３１０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、本発明は上記のような従来の問題点を解決するために提案されたもので、その目的は、燃料ポンプの駆動によるノイズ及び震動発生を防止しながら所要電力を節減できるように水素含有燃料を噴射方式で供給するための噴射手段を具備するとともに、水素含有燃料から水素イオンと電子を容易に得るための変換效率を高められるように、燃料収容室の内部に改質触媒層が被覆されている噴射ノズル組立体とこれを具備した燃料電池システムを提供することである。  
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成するために、本発明によれば、噴射ノズル組立体は水素含有燃料が収容される燃料収容室を画定するハウジングと、水素含有燃料が前記燃料収容室に流入されるように前記ハウジングの一端に備えられる流入口と、前記燃料収容室に貯蔵された水素含有燃料が流出されるように前記ハウジングの他端に備えられる流出部と、前記燃料収容室に設けられた噴射手段からなることを特徴とする。
【００１２】
また、前記ハウジングの内表面には、改質触媒層が被覆され、好ましくは前記改質触媒層は前記流出部にも備えられる。
【００１３】
また、前記噴射手段は、震動板、圧電素子、ヒータ、加熱板からなるグループより選ばれる一つである。
【００１４】
また、前記ハウジングには前記燃料収容室に貯蔵された水素含有燃料を加熱するための加熱手段が備えられる。
【００１５】
また、ハウジングが連結管で構成されている場合には、前記噴射手段は前記連結管内部の水素含有燃料に空気滴を生成する加熱板である。
【００１６】
さらに、本発明の燃料電池システムによれば、電気を生成させる一つ以上の単位電池が積層されているスタックと、前記スタックに供給される水素含有燃料が貯蔵されている燃料貯蔵部と、前記スタックに空気を供給するための空気供給部と、前記燃料貯蔵部とスタックの間で流体流通が可能に備えられた噴射ノズル組立体を含んでなり、前記噴射ノズル組立体は、前記燃料貯蔵部から供給される水素含有燃料が収容される燃料収容室を画定し、前記燃料収容室に収容された水素含有燃料が流出される流出部を一端に具備しているハウジングと、前記燃料収容室に内蔵する噴射手段を有し、前記ハウジングの内表面には改質触媒層が被覆されていることを特徴とする。  
【００１７】
本発明の他の実施形態によれば、燃料電池システムは、水素含有燃料が貯蔵されている燃料貯蔵部と、両面に触媒層が備えられている高分子膜を持つ電極膜組立体と、前記燃料貯蔵部と前記高分子膜の一面に備えられた触媒層の間で流体流通が可能に介在されている燃料供給部からなり、前記燃料供給部には、前記燃料貯蔵部から供給される水素含有燃料が収容される燃料収容室を画定し、前記燃料収容室に収容された水素含有燃料が流出される流出部を一端に具備しているハウジングと、前記燃料収容室に内蔵する噴射手段を含む噴射ノズル組立体が備えられ、前記ハウジングの内表面に改質触媒層が被覆されていることを特徴とする。  
【００１８】
また、前記高分子膜の一面に備えられた第１触媒層はアノード電極に作用し、他面に備えられた第２触媒層は、カソード電極に作用する。
【００１９】
また、前記第２触媒層は、大気中に晒されるかまたはその上部表面に酸素供給部が備えられる。
【発明の効果】
【００２０】
上述したように、本発明の燃料電池システムによれば、水素含有燃料を噴射方式でスタックに供給することで燃料ポンプの駆動によるノイズ及び震動発生を防止しながら所要電力を節減することができ、かつ準改質化された水素含有燃料を水素イオンと電子に容易に変化させることができる。  
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明し、同じ構成要素については説明の簡略化のために同一番号を付与する。  
【００２２】
また、本発明の説明のために使われる用語、例えば、後続する工程で水素含有燃料から水素イオンと電子を生成する化学反応が促進されるように水素含有燃料を予備処理する状態を意味する “準改質化状態(quasi-reforming state)”という用語は、説明の便宜のために定義されたものである。  
【００２３】
したがって、本明細書で使われる用語は、当該分野に携わる技術者の意図または慣例などによって変わることもあり得るし、また本発明の技術的構成要素を限定する意味として理解されてはならない。  
【００２４】
まず、本発明による噴射ノズル組立体４０は、図１ａ及び図１ｂに図示されたように水素含有燃料が収容される燃料収容室Ａを画定するハウジング４２を持って、ハウジング４２の一端には水素含有燃料が外部から燃料収容室Ａに流入する流入口４０ａが形成されていて、ハウジング４２の他端には燃料収容室Ａから水素含有燃料が流出する流出部４０ｂが形成される。  
【００２５】
燃料収容室Ａに収容されている水素含有燃料を流出部４０ｂを通じて流出させるために、燃料収容室Ａには噴射手段が備えられる。この時、前記噴射手段は外部電源から印加される電圧によって震動する震動板(４８;図１と図３参照)で構成することができる。  
【００２６】
震動板４８は、外部電源から電圧が印加されれば、例えば点線で表示したように流出部４０ｂ側に湾曲するようになる。この時、震動板４８の全面、すなわち燃料収容室Ａから流出部４０ｂ側に接して収容されている水素含有燃料は流出部４０ｂ側に押圧されるようになる一方、震動板４８の後面、すなわち流入口４０ａから水素含有燃料が流入する。  
【００２７】
流出部４０ｂを通じて流出する水素含有燃料の流出量に比例する水素含有燃料量が流入口４０ａを通じて燃料収容室Ａに流入する。  
【００２８】
外部からの電源が遮断されれば、震動板４８は初期状態に復帰して、この時震動板４８の後面に収容された水素含有燃料は迂回流路(図示せず)を通じて震動板４８の全面を流動して燃料収容室Ａに収容される。  
【００２９】
上述したような電圧の印加/遮断が繰り返されるによって震動板４８は、震動するようになり、これと連動して燃料収容室Ａに収容されている水素含有燃料は流出部４０ｂを通じて断続的に流出される。  
【００３０】
後続する工程で水素含有燃料が水素イオンと電子に円滑に転換することができるように、図１ａに図示されたように、燃料収容室Ａから流出部４０ｂを通じて流出される水素含有燃料を準改質化させるために流出部４０ｂの内部には第１改質触媒層４４ａを被覆することが望ましい。  
【００３１】
したがって、震動板４８が震動しながら燃料収容室Ａから流出部４０ｂを通じて準改質化状態に転換された水素含有燃料、すなわち準改質化燃料が流出する。  
【００３２】
さらに望ましくは、流出部４０ｂでの第１改質触媒層４４ａによる準改質化転換産業が円滑に遂行されるように流出部４０ｂを通じて流出する水素含有燃料を加熱するための加熱手段４６ａが流出部４０ｂの周りに備えられる。  
【００３３】
一方、図１ｂに図示されたように、後続する工程で水素含有燃料の酸化反応が促進されるように燃料収容室Ａに収容されている水素含有燃料を準改質化状態で転換させるために、ハウジング４２の内表面にも改質触媒層４４が被覆される。したがって、燃料収容室Ａに収容されている水素含有燃料は改質触媒層４４による準改質化転換作用によって準改質化状態に転換される。  
【００３４】
そして、震動板４８が震動するようになれば、ハウジング４２の流出部４０ｂを通じて準改質化状態に転換された水素含有燃料、すなわち準改質化燃料が流出するので、後続する工程での酸化反応によって水素含有燃料から容易く水素イオンと電子が得られる。  
【００３５】
このとき、第１改質触媒層４４ａおよび改質触媒層４４は、Pt、Pd、Ru、RhまたはIr等のようなノブル系触媒物質(Noble  Catalytic  Material)またはCu、Cr、Mo、WまたはCo等のようなベース金属系触媒物質(Base  Metal  Catalytic  Material)から選ばれる少なくとも一つの触媒物質を流出部４０ｂの内部およびハウジング４２の内表面に被覆させることによって形成される。
【００３６】
さらに望ましくは、燃料収容室Ａで改質触媒層４４による準改質化転換作業が円滑に遂行するように燃料収容室Ａに収容された水素含有燃料を加熱するための加熱手段４６がハウジング４２の周りに備えられる。  
【００３７】
上述された加熱手段４６、４６ａはこれに限定されないが、例えばハウジング４２を取り囲む熱線などで構成されることができる。したがって、加熱手段４６、４６ａの加熱作用によって燃料収容室Ａに収容された水素含有燃料及び/または流出部４０ｂを通じて流出する水素含有燃料は加熱され、このように加熱された水素含有燃料は改質触媒層４４、４４ａによる準改質化転換作用によって相対的に容易く準改質化状態に転換する。  
【００３８】
一方、図４ａ及び図４ｂを参照すれば、噴射ノズル組立体１４０を構成する噴射手段は外部電源から電圧が印加されれば変形する圧電素子１４８(piezo actuator)で構成することができる。  
【００３９】
圧電素子１４８は、外部電源から電圧が印加されることによって変形するようになり、これと連動して燃料収容室Ａから改質触媒層１４４の準改質化転換作用によって準改質化状態に転換された水素含有燃料は流出部１４０ｂを通じて流出する。  
【００４０】
そして、流出部１４０ｂを流れる水素含有燃料の流出量に比例して流入口１４０ａを通じて水素含有燃料が燃料収容室Ａに流入する。
【００４１】
また、図５ａ及び図５ｂを参照すれば、噴射ノズル組立体２４０を構成する噴射手段は外部電源から電圧が印加されれば加熱されるヒータ２４８で構成することができる。外部電源から電圧が印加されればヒータ２４８が急速に加熱されて、この時燃料収容室Ａに収容されている水素含有燃料には気泡２４８ａが発生するようになる。  
【００４２】
このような気泡２４８ａの膨張力によって燃料収容室Ａから改質触媒層２４４の改質作用によって準改質化状態に転換した水素含有燃料は流出部２４０ｂを通じて流出する。そして、流出部２４０ｂを通じる水素含有燃料の流出量に比例して流入口２４０ａを通じて水素含有燃料が燃料収容室Ａに流入する。  
【００４３】
一方、図６ａないし図６ｃを参照すれば、噴射ノズル組立体３４０を構成している噴射手段は、外部電源から電圧が印加されれば加熱される加熱板(３４８;heating plate)で構成することができる。外部電源から電圧が印加されて加熱板348が加熱されれば、水素含有燃料が膨脹しながら空気滴348aまたは348bが発生する。  
【００４４】
そして、生成される空気滴３４８ａまたは３４８ｂの体積に応じて水素含有燃料は流出部３４０ｂを通じて流出される。この時、水素含有燃料は改質触媒層３４４の改質作用によって準改質化状態に転換されて流出する。そして、電源が遮断されて加熱板348が冷却されることで減少する体積に応じて水素含有燃料が補充される。  
【００４５】
本発明によれば、上述した噴射ノズル組立体４０、１４０、２４０または３４０が設置される燃料電池システムは、エチルアルコール、メタノールまたは天然ガスといった炭化水素系列の水素含有燃料を直接スタックに供給して電気を発生させる直接メタノール型燃料電池DMFCに適用することができる。  
【００４６】
一般的に直接メタノール型燃料電池は、複数個の単位電池が積層されているスタックを持つアクティブ型燃料電池と複数個の単位電池が平面上に展開されているパッシブ型燃料電池に大別されるので、以下ではそれぞれに噴射ノズル組立体が適用された構成及び作用を説明する。  
【００４７】
まず、本発明の一実施形態によれば、複数個の単位電池が積層されている構造のスタック１０を具備したアクティブ型燃料電池は、図２ないし図６に図示されたようにスタック１０に供給される水素含有燃料が貯蔵されている燃料貯蔵部２０と、スタック１０に空気を強制的に供給するための空気ポンプといった空気供給部３０を持つ。
【００４８】
図３を参照すれば、スタック１０には高分子膜１４ａと高分子膜１４ａの両側に備えられた電極１４ｂ、１４ｃからなる電極膜組立体１４(MEA; Membrane Electrode Assembly)と、電極膜組立体１４の両側にそれぞれ対面する状態で設置され、水素ガスと酸素ガスを供給する分離板で構成された単位電池が複数個備えられる。  
【００４９】
前記分離板は、これに限定されないが、隣接する電極膜組立体１４の間に介在され、一面には水素ガスを供給する流路が形成されており、他面には酸素ガスを供給する流路が形成されているバイポーラープレート１６を用いることができる。  
【００５０】
電極膜組立体１４において、電極はカーボンペーパのような多孔性支持体の上に触媒物質を塗布することで製造され、水素含有燃料、例えば、メタノールの酸化反応によって水素イオンH+と電子e-を発生させるアノード電極１４ｂと、酸素と水素の化学反応によって水を生成させるカソード電極１４ｃに区分される。  
【００５１】
すなわち、アノード電極１４ｂはバイポーラープレート１６の一面に対面した状態で備えられて前記一面に形成された流路を通じて供給される水素含有燃料の酸化反応によって水素イオンと電子を生成させる触媒層と、水素含有燃料が前記触媒層に均一に分散されるように作用しつつ二酸化炭素を外部に排出させる気体拡散層(GDL; gas diffustion layer)で構成される。  
【００５２】
これと同様に、カソード電極１４ｃはバイポーラープレート１６の他面に対面した状態で備えられて前記他面に形成された流路を通じて供給される空気中の酸素と水素イオンを化学反応させる触媒層と、酸素が前記触媒層に均一に分散されるように作用しつつ前記化学反応によって生成される水を外部に排出させるための気体拡散層で構成される。
【００５３】
そして、高分子膜１４ａはアノード電極１４ｂの触媒層で発生された水素イオンをカソード電極１４ｃの触媒層に伝達するイオン交換の機能とともに、水素含有燃料の透過を防止する機能を持つ伝導性高分子電解質膜で約50〜200μｍ程度の厚さを持つ。
【００５４】
アノード電極１４ｂとカソード電極１４ｃそれぞれの一側面には、水素含有燃料と酸素をそれぞれ供給するためのバイポーラープレート１６が対面した状態で備えられる。
【００５５】
アノード電極１４ｂに対面するバイポーラープレート１６の一面には、水素含有燃料が流入されて流動する燃料流入部と、燃料流路チャンネルが形成される反面、カソード電極１４ｃに対面するバイポーラープレート１６の他面には空気中の酸素が流入されて流動する酸素流入部と酸素流路チャンネルが形成される。  
【００５６】
スタック１０の最も外側には、エンドプレート１２ａ、１２ｂが備えられる。アノード電極１４ｂとカソード電極１４ｃに対面するエンドプレート１２ａ、１２ｂの接触面には、水素含有燃料と酸素が流動することができる燃料流路チャンネルと酸素流路チャンネルがそれぞれ形成される。  
【００５７】
アノード電極１４ｂに対面するエンドプレート１２ａの外側面には、これに限定されないが水素含有燃料が流入される第１流入部１０ａと、スタック１０内部の単位電池での化学反応の結果生成されるD.C（直流）電気を外部に給電するための出力端子１０ｃが備えられる。  
【００５８】
カソード電極１４ｃに対面するエンドプレート１２ｂの外側面には、空気が流入する第２流入部１０ｂと、二酸化炭素及び水をそれぞれ外部へ排出するための排出部１０ｄが備えられる。
【００５９】
スタック１０内部において、一つの単位電池を構成するバイポーラープレートの一面に形成された燃料流入部は、他の単位電池を構成するバイポーラープレートの一面に形成された燃料流入部と燃料流通が可能に連結される。  
【００６０】
同様に、一つの単位電池を構成するバイポーラープレートの他面に形成された酸素流入部は、他の単位電池を構成するバイポーラープレートの他面に形成された酸素流入部と酸素の流通が可能に連結される。また、エンドプレート１２ａ、１２ｂそれぞれに形成された第１流入部１０ａと第２流入部１０ｂは、隣接する単位電池を構成するバイポーラープレートの一面に形成された燃料流入部とバイポーラープレートの他面に形成された酸素流入部と燃料流通及び酸素流通が可能にそれぞれ連結される。  
【００６１】
そして、アクティブ型燃料電池は、第１エンドプレート１２ａに備えられた第１流入部１０ａの前方に設置され、燃料貯蔵部２０に貯蔵されている水素含有燃料を噴射方式で供給するための噴射ノズル組立体４０、１４０、２４０または３４０をさらに含む。  
【００６２】
噴射ノズル組立体４０、１４０、２４０または３４０の内部には、これに限定されないが後述する噴射手段４８、１４８、２４８または３４８が設置される。  
【００６３】
噴射ノズル組立体４０、１４０、２４０または３４０それぞれには、図１ａに例示されたように、それぞれの流出部のみに第１改質触媒層を備えることができるが、これについての説明は略する。  
【００６４】
図３を参照すれば、噴射ノズル組立体４０は燃料貯蔵部２０(図２参照)に燃料流通が可能に連結される流入口４０ａが一端に備えられており、流入口４０ａを通じて燃料貯蔵部２０から供給される水素含有燃料が収容される燃料収容室Ａを画定するハウジング４２を持つ。  
【００６５】
ハウジング４２の内表面には、燃料収容室Ａに収容されている水素含有燃料を準改質化状態で転換させるための改質触媒層４４が被覆されている。そして、ハウジング４２には燃料収容室Ａに収容されている水素含有燃料を加熱するための加熱手段４６が設置される。  
【００６６】
燃料収容室Ａには、外部電源から印加される電圧によって震動する震動板４８が噴射手段として備えられており、この対向面には第１エンドプレート１２ａの第１流入部１０ａに向けて水素含有燃料を流出させる流出部４０ｂが形成されている。  
【００６７】
したがって、制御部(図示せず)から震動板４８に電気信号を送れば、震動板４８が震動をするようになり、このような震動によって燃料収容室Ａに収容されている水素含有燃料は流出部４０ｂを通じてスタック１０の第１流入部１０ａ側に流出して、スタック１０内部に供給される。  
【００６８】
そして、水素含有燃料が流出すれば、その流出量に比例して水素含有燃料が毛細現象や慣性法則などによって燃料貯蔵部２０から燃料収容室Ａに補充される。  
【００６９】
この時、改質触媒層４４による準改質化転換作用によって準改質化状態に維持されている水素含有燃料がスタック１０内部に供給されるので、スタック１０で水素含有燃料を円滑に水素イオンと電子に転換することができる。  
【００７０】
また、前記制御部から加熱手段４６に電圧が印加されて燃料収容室Ａに収容されている水素含有燃料が加熱されれば、改質触媒層４４による準改質化転換作業はさらに容易に遂行される。  
【００７１】
図４ａと図４ｂを参照すれば、スタック１０の第１流入部１０ａの前方に設置される噴射ノズル組立体１４０は、燃料貯蔵部２０(図２参照)に燃料流通が可能に連結される流入口１４０ａが一端に備えられており、流入口４０ａを通じて燃料貯蔵部２０から流入する水素含有燃料が収容される燃料収容室Ａを画定するハウジング１４２を持つ。  
【００７２】
ハウジング１４２の内表面には、燃料収容室Ａに収容されている水素含有燃料を準改質化状態に転換させるための改質触媒層１４４が被覆されている。またハウジング１４２には、燃料収容室Aに収容されている水素含有燃料を加熱するための加熱手段１４６が設置される。  
【００７３】
そして、ハウジング１４２の一面には圧電素子１４８(piezo actuator)が噴射手段として備えられ、この対向面には第１エンドプレート１２ａの第１流入部１０ａに向けて水素含有燃料を流出させる流出部１４０ｂが形成されている。
【００７４】
したがって、制御部(図示せず)から圧電素子１４８に電気信号を送れば、圧電素子１４８が変形するようになり、このような変形によって燃料収容室Ａに収容されている水素含有燃料は、流出部１４０ｂを通じて流出した後、スタック１０の第１流入部１０ａを経由してスタック内部に供給される。  
【００７５】
そして、水素含有燃料が流出すれば、流出量に比例して水素含有燃料が毛細現象や慣性法則などによって燃料貯蔵部２０から燃料収容室Ａに補充される。  
【００７６】
この時、改質触媒層１４４による準改質化転換作用によって準改質化状態で維持されている水素含有燃料がスタック１０内部に供給されるので、スタック１０で水素含有燃料を水素イオンと電子に円滑に転換することができる。  
【００７７】
また、前記制御部から加熱手段１４６に電圧が印加されて燃料収容室Ａに収容されている水素含有燃料が加熱されれば、改質触媒層１４４による準改質化転換作業はさらに容易に遂行される。  
【００７８】
上述したように圧電素子を利用した噴射方式は、電流制御で液体燃料の噴射量を精密に制御することができるという長所がある。また、流出部４０ｂを通じる水素含有燃料の滴が膨張する時、圧電素子１４８の電流を制御する時間を調節すれば押圧される水素含有燃料の滴の大きさを調節することができる。  
【００７９】
図５ａ及び図５ｂを参照すれば、スタック１０の第１流入部１０ａの前方に設置されている噴射ノズル組立体２４０は、燃料貯蔵部２０(図２参照)に燃料流通が可能に連結される流入口２４０ａが一端に備えられており、流入口２４０ａを通じて燃料貯蔵部２０(図２参照)から供給される水素含有燃料が収容される燃料収容室Ａを画定するハウジング２４２を持つ。  
【００８０】
ハウジング２４２の内表面には、燃料収容室Ａに収容されている水素含有燃料を準改質化状態に転換させるための改質触媒層２４４が被覆されている。そして、ハウジング２４２の一面には、ヒータ２４８が噴射手段として備えられていてこの対向面には、第１流入部１０ａに向けて水素含有燃料を流出させる流出部２４０ｂが形成されている。  
【００８１】
したがって、制御部(図示せず)からヒータ２４８に電気信号が加えられれば、ヒータ２４８が急速に加熱されて燃料収容室Ａ内の水素含有燃料に気泡２４８ａが発生する。  
【００８２】
このような気泡２４８ａの膨張力によって水素含有燃料は流出部２４０ｂを通じて流出する。このように噴射される液体燃料は、スタック１０の第１流入部１０ａを経由してスタック内部に供給される。  
【００８３】
そして、水素含有燃料が流出した後、気泡が収縮されれば水素含有燃料の流出量に比例して燃料貯蔵部２０から水素含有燃料は流入口２４０ａを通じて燃料収容室Ａに補充される。  
【００８４】
この時、改質触媒層１４４による準改質化転換作用によって準改質化状態で維持されている水素含有燃料がスタック１０内部に供給されるので、スタック１０で水素含有燃料が水素イオンと電子に転換される転換作業を円滑に遂行することができる。  
【００８５】
特に、前記制御部から印加される電圧によってヒータ２４８が加熱されて燃料収容室Ａに収容されている水素含有燃料を加熱するようになるので、改質触媒層１４４による準改質化転換作業をさらに容易に遂行することができる。  
【００８６】
図６ａないし図６ｃを参照すれば、スタック１０の第１流入部１０ａの前方に設置されている噴射ノズル組立体３４０は、燃料収容室が別に備えられておらず、燃料貯蔵部２０(図２参照)とスタック１０の第１流入部１０ａを連結する連結管３４２内部に設置されて噴射手段として作用する加熱板３４８を持つ。  
【００８７】
連結管３４２の内表面には、水素含有燃料を準改質化状態に転換させるための改質触媒層３４４が被覆されている。したがって、制御部(図示せず)から加熱板３４８に電気信号が加えられて加熱板３４８が加熱されれば、水素含有燃料が膨脹しながら空気滴３４８ａまたは３４８ｂが生ずる。  
【００８８】
そして、生成される空気滴３４８ａまたは３４８ｂの体積に応じて水素含有燃料は流出部３４０ｂを通じて第１流入部１０ａ側に流出する。水素含有燃料が流出した後、電流供給を遮断して加熱板３４８が冷却されて減少する空間に応じて燃料貯蔵部２０からの水素含有燃料は連結管３４２内部に補充される。このように準改質化状態に転換された水素含有燃料を、スタックで水素イオンと電子にさらに円滑かつ容易に転換することができる。
【００８９】
以下、本発明の実施形態による積層型スタックを持つ直接メタノール型燃料電池の作用について説明する。  
【００９０】
一つ以上の単位電池が設置されているスタック１０の第１流入部１０ａの前方に本発明による噴射ノズル組立体４０、１４０、２４０または３４０が設置されていて、このような噴射ノズル組立体はメタノールが貯蔵されている燃料貯蔵部２０に燃料流通可能に連結される。  
【００９１】
この時、噴射ノズル組立体40の内部には、上述したように震動板４８、圧電素子１４８、ヒータ２４８または加熱板３４８のような噴射手段が設置される。
【００９２】
スタック１０の第２流入部１０ｂには、空気流通可能に空気供給部、例えば空気ポンプ３０に連結される。  
【００９３】
噴射手段４８、１４８、２４８または３４８の作動によって燃料収容室Ａに収容されているメタノールは、噴射ノズル組立体４０の流出部４０ｂ、１４０ｂ、２４０ｂまたは３４０ｂを通じてスタック１０の第１流入部１０ａに流入する。  
【００９４】
第１流入部１０ａに流入するメタノールは、噴射ノズル組立体４０に備えられている第１改質触媒層及び/または改質触媒層４４、１４４、２４４または３４４の準改質化転換作用によって準改質化状態で維持される。  
【００９５】
準改質化状態で維持されたメタノールは、第１エンドプレート１２ａに形成された燃料流路チャンネルだけでなく、バイポーラープレート１６の一面に備えられた燃料流入部(図示せず)と燃料流路チャンネル(図示せず)を通じて電極膜組立体１４のアノード電極１４ｂに供給される。  
【００９６】
その後、アノード電極１４ｂの触媒層で下記式１の酸化反応によってメタノールから水素イオン（プロトン）と電子を容易に変換させる。  
CH3OH + H2O → CO2 +6H+ + 6e- ‥‥‥‥ (1)
【００９７】
一方、ポンプ３０の作動によってスタック１０の第２流入部１０ｂ側に流入された空気中の酸素は、第２エンドプレート１２ｂに形成された酸素流路チャンネルだけではなく、バイポーラープレート１６の他面に備えられた酸素流入部(図示せず)と酸素流路チャンネル(図示せず)を通じて電極膜組立体１４のカソード電極１４ｃに供給される。  
【００９８】
アノード電極１４ｂで生成された水素イオンは、高分子膜１４ａを通じてカソード電極１４ｃに移動した後、カソード電極１４ｃで下記式２の化学反応を通じて水を生成するようになる。
O2 + 4H++ 4e- → 2H2O ‥‥‥‥ (２)
【００９９】
このように生成される水は、スタック１０内部で生成される二酸化炭素などとともに第２エンドプレート１２ｂに備えられた排出部１０ｄを通じて外部へ排出される。そして、アノード電極１４ｂで生成された電子は、集電体(図示せず)を通じて集電された後、第１エンドプレート１２ａに備えられた出力端子１０ｃを通じて外部回路に出力される。  
【０１００】
本発明の他の実施形態として、図７ないし図９を参照して複数個の単位電池が平面上に展開されているパッシブ型燃料電池について説明する。  
【０１０１】
パッシブ型燃料電池５１０において、高分子膜５１４ａと、高分子膜５１４ａの両面に備えられた触媒層からなる電極膜組立体５１４(MEA)は、平面上に展開された状態で備えられる。  
【０１０２】
高分子膜５１４ａの一面に備えられた第１触媒層は、アノード電極５１４ｂで作用し、高分子膜５１４ａの他面に備えられた第２触媒層はカソード電極５１４ｃで作用する。
【０１０３】
電極膜組立体５１４のカソード電極５１４ｃの一面が酸素に晒された状態に備えられ、アノード電極５１４ｂの一面が水素含有燃料、例えば、メタノールに晒された状態に備えられることで一つの単位電池５１０−１が構成される。  
【０１０４】
この時、カソード電極５１４ｃの一面には酸素を供給するための酸素供給部(図示せず)または空気供給部が密着した状態で備えることもできる。そして、隣接する単位電池は、導電体(図示せず)によって電気流通可能に連結される。  
【０１０５】
また、個別の単位電池によって生成された電気を集電するための集電体(図示せず)がパッシブ型燃料電池５１０に備えられるので、前記集電体を通じて所定の出力を得ることができる。  
【０１０６】
図８を参照すれば、パッシブ型燃料電池５１０を構成する一つの単位電池５１０−１において、電極膜組立体５１４の他面(例えば、上部面)に備えられたカソード電極５１４ｃの表面が大気中に晒された状態で、電極膜組立体５１４の一面(例えば、下部面)に備えられたアノード電極５１４ｂの表面には燃料供給部５４０の一面が密着された状態に備えられる。この時、燃料供給部５４０の他面にはメタノールが貯蔵されている燃料貯蔵部５２０が備えられる。  
【０１０７】
アノード電極５１４ｂでは上記式１の酸化反応によってメタノールから水素イオン（プロトン）と電子が生成される。カソード電極５１４ｃではアノード電極５１４ｂから高電導膜を通じて移動した水素イオンと空気中の酸素は、上記式２の化学反応によって水を生成する。
【０１０８】
図９を参照すれば、燃料供給部５４０には噴射ノズル組立体５４０−１が備えられ、これは図１ないし図６に図示されている本発明による噴射ノズル組立体４０、１４０、２４０または３４０と類似な構造を持つ。  
【０１０９】
例えば、噴射ノズル組立体５４０−１が図１に図示されている噴射ノズル組立体４０に類似な構造を有する場合には、噴射ノズル組立体４０の流入口４０ａは流体流通可能に燃料貯蔵部５２０側に向けられ、流出部４０ｂはアノード電極５１４ｂの表面に向けて配置される。  
【０１１０】
この時、燃料貯蔵部５２０に貯蔵されている水素含有燃料は、毛細管現象などによって流入口４０ａを通じて噴射ノズル組立体４０のハウジング４２の収容空間Ａに流入する。
【０１１１】
収容空間Ａに流入した水素含有燃料は、ハウジング４２に内蔵されている噴射手段、すなわち、震動板４８の作動によって流出部４０ｂを通じてアノード電極に流出する。  
【０１１２】
一方、流出部４０ｂの内表面には、第１改質触媒層４４ａが被覆されているので、流出部４０ｂを通じて準改質化状態に転換された水素含有燃料、すなわち、準改質化燃料がアノード電極５１４ｂに流出する。したがって、準改質化燃料はアノード電極５１４ｂでより效率的に水素イオンと電子に転換することができる。  
【０１１３】
上述したように、本発明の詳細な説明と図は、単なる本発明の例示的なものであり、これは単に本発明を説明するための目的で使用されたものであって、意味限定や特許請求の範囲に記載された本発明の範囲を制限するために使用されたものではない。よって、当業者であれば、前記説明した内容を介して本発明の技術思想を逸脱しない範囲で多様な変更及び修正が可能であることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１ａ】図１ａは、本発明による噴射ノズル組立体の構成を現わす断面図である。
【図１ｂ】図１ｂは、本発明による噴射ノズル組立体の構成を現わす断面図である。
【図２】図２は、図１に図示された改質触媒コーティング噴射ノズル組立体が直接メタノール型燃料電池に設けられた状態を図示した構成図である。
【図３】図３は、燃料電池システムのスタック部位を現わす詳細図である。
【図４ａ】図４ａは、本発明の実施形態による噴射ノズル組立体がスタック部位に装着された状態を図示した構成図である。
【図４ｂ】図４ｂは、本発明の実施形態による噴射ノズル組立体がスタック部位に装着された状態を図示した構成図である。
【図５ａ】図５ａは、本発明の他の実施形態による噴射ノズル組立体がスタック部位に装着された状態を図示した構成図である。
【図５ｂ】図５ｂは、本発明の他の実施形態による噴射ノズル組立体がスタック部位に装着された状態を図示した構成図である。
【図６ａ】図６ａは、本発明のまた他の実施形態による噴射ノズル組立体がスタック部位に装着された状態を図示した構成図である。
【図６ｂ】図６ｂは、本発明のまた他の実施形態による噴射ノズル組立体がスタック部位に装着された状態を図示した構成図である。
【図６ｃ】図６ｃは、本発明のまた他の実施形態による噴射ノズル組立体がスタック部位に装着された状態を図示した構成図である。
【図７】図７は、本発明にしたがって噴射ノズル組立体がパッシブ型燃料電池に装着された状態を図示した図である。
【図８】図８は、本発明にしたがって噴射ノズル組立体がパッシブ型燃料電池に装着された状態を図示した断面図である。
【図９】図９は、本発明にしたがって噴射ノズル組立体がパッシブ型燃料電池に装着された状態を図示した分解斜視図である。
【符号の説明】
【０１１５】
１０；スタック
１２ａ、１２ｂ；エンドプレート
１４；電極膜組立体
１４ａ；高分子膜
１４ｂ、１４ｃ；電極
１６；バイポーラープレート
２０；燃料貯蔵部
３０；空気供給部
４０、１４０、２４０、３４０；噴射ノズル組立体
４２、１４２、２４２、３４２；ハウジング
４４、１４４、２４４、３４４；改質触媒層
４６、１４６；熱線
４８；振動板
５０；改質器
１４８；圧電素子
２４８；ヒータ
３４８；加熱板
【図１ａ】
2006244988.tif 000003
【図１ｂ】
2006244988.tif 000004
【図２】
2006244988.tif 000005
【図３】
2006244988.tif 000006
【図４ａ】
2006244988.tif 000007
【図４ｂ】
2006244988.tif 000008
【図５ａ】
2006244988.tif 000009
【図５ｂ】
2006244988.tif 000010
【図６ａ】
2006244988.tif 000011
【図６ｂ】
2006244988.tif 000012
【図６ｃ】
2006244988.tif 000013
【図７】
2006244988.tif 000014
【図８】
2006244988.tif 000015
【図９】
2006244988.tif 000016